解決方案
軍民融合


一、系統研發的軍事背景


軍事訓練是未來戰爭的預實踐,實戰化水平直接決定著戰斗力生成的質量效果。當前,空軍及陸航部隊裝備服役數量急劇增加,但是受訓練條件、訓練成本及安全等因素的限制,基于實裝的飛行訓練,尤其是復雜條件下的作戰訓練尚難以廣泛開展,對虛擬仿真訓練需求也越來越大。


軍事訓練實戰化的程度和水平,取決于訓練與作戰的貼近程度,從技術到戰術的融合。但目前的飛行模擬器普遍采用環屏、多折屏、球幕或CAVE屏,均存在沉浸感不強、視景窄且易變形,無法響應人體姿態和人眼視角變化,造價高、占地大,難以組織編隊訓練的不足,技術指標與心理感受與實裝訓練差距較大?;谔摂M現實技術的模擬器雖然沉浸感強,但只能實現外部環境的模擬仿真,難以實現人體手部、儀器儀表等在虛擬場景的實體化,戴上頭盔后就成了現實世界的瞎子,與真實環境的操作一致性仍有較大差距,也就無法保證實戰化訓練的效果。


中科恒運研發的混合現實技術(Mix reality,簡稱MR)是在虛擬現實的基礎上發展起來的新的研究領域,是國內外的操作訓練發展的新模式,通過將真實世界信息和虛擬世界信息無縫集成合并,產生的新的可視化環境,實現物理和數字對象共存,并實時互動。國外軍隊未來整體訓練發展方向正是基于混合現實技術的思想,將真實訓練與虛擬仿真訓練結合起來,創造無縫、混合的沉浸式混合現實環境,使得訓練與實戰無異。


本系統基于混合現實技術,采用數字化現實+虛擬場景+分布式架構設計,以彌補虛擬現實仿真訓練的不足。采用頭戴沉浸式多自由度三維顯示系統,以及與實裝一致的半實物駕駛座艙,依托三維地理信息平臺,綜合利用三維立體建模、虛擬仿真、海量數據管理、三維空間分析等技術,將真實世界和虛擬場景無縫集成,創建虛實融合的訓練視景,創新構建了產品化的緊湊型混合現實模擬訓練系統。其基本功能組成如下圖所示。


二、系統創新點


本系統能夠極大提高學員模擬訓練的真實感和沉浸感,較傳統屏顯模擬和虛擬現實模擬訓練更加貼近真實場景和真實操作,增強了飛機模擬系統的實用性,提高了學員的操作與處置能力,同時,以高度的沉浸感和臨場感將單人和編隊飛行訓練轉化為體驗性更強的交互方式,并可突破訓練場地限制及最大化利用室內空間,在降低訓練成本的同時提高訓練安全和質量。其創新點主要體現為以下幾個方面:


1突破多項虛實共存與實時互動關鍵問題

系統突破了在多重空間中的前景抽取方法、超大虛擬地景和飛行座艙的虛實融合方法、基于多視頻三維重建和動作識別方法、增強光照一致性的視頻物體陰影檢測和消除方法、改善VR眩暈的插幀補償方法等關鍵技術,創新提出了沉浸式飛行模擬器、沉浸式車輛模擬器完整解決方案,多項技術具有自主知識產權,共申請發明專利9項。


2)混合現實視景技術的產品化實現

通過VR頭戴式設備上的3D雙目攝像頭采集半實物駕駛艙內高清影像,進行前景抽取、光影處理和實時三維重建,與虛擬實景實時融合,并進行光照一致性處理,VR定位器捕捉受訓者在座艙內的空間定位信息并實時更新到視景中,實現駕駛視角與虛擬實景的完美融合,從而產生駕駛實機的沉浸感。系統支持第三視角觀察飛行與火力打擊全過程、四肢動作捕捉與重建、頭部與眼球動作跟隨、各種氣象條件下艙內外場景一致等。


3)實現與實裝操作一致的訓練模擬

1:1比例建立駕駛艙半實物硬件,通過六自由度平臺實現座艙姿態模擬,建立了音效模型、儀表控制模型、姿態控制模型、武器發射與毀傷模型、碰撞模型、傳感器模型、電子干擾模型等,通過與虛擬場景的無縫融合及訓練過程中人、模擬器、外部環境、外部裝備之間的交互解算,達到與實裝操作一致、體驗效果超出實裝訓練的目的。


4)完全貼近實戰環境進行訓練設置

可進行任務編隊、訓練科目、氣象條件、地理環境、打擊目標、威脅力量等訓練設置,并支持多機型編隊飛行,藍方虛擬兵力生成,飛行模型、飛控模型和武器效能模型,風、雨、雪、霧等天氣特效,0-24小時連續晝夜變化等。


三、系統應用模式


本系統可通過設置豐富訓練科目,能夠實現受訓者在貼近實戰條件下獲得真實的操作體驗,沉浸感、實用性強,性價比高,能夠為單機、編隊飛行和作戰指揮訓練提供了先進技術手段。本系統可適用的應用模式主要包括以下幾類:


1實戰化編隊演訓

本系統注重于現實物理世界與數字化場景的融合與交互,同時提供對分布式仿真系統的支持,更符合當前各國正積極推行的基于LVC(實況、虛擬、構造)仿真體系的實戰化訓練理念。運用該系統可通過分布式仿真系統,異地便捷部署多臺系統,實現大規模的人、半實物訓練器及統一虛擬訓練場景的有機融合。相對于傳統模擬訓練器,參訓人員通過頭盔系統可獲得更大范圍的虛擬場景支持,同時亦保證了與實裝一致的操作性和交互性,尤其適用于編隊組訓的實施。


2裝備培訓教學

本系統通過頭盔系統可提供比環屏、球幕等傳統顯示系統沉浸感更強的虛擬場景,同時,系統可提供參訓人員在虛擬場景中對外界物理實體的觀察與真實交互,可獲取與實裝一致的真實體驗。系統可以簡化為只有頭盔和實裝操縱系統組成的桌面訓練系統,成本更低、占地面積更小,院校及基層使用部隊的普通室內場地即可展開多機編組的戰術協同訓練。頭盔系統亦擺脫傳統顯示系統的限制,有助于實現真正六自由度模擬訓練平臺,從而更進一步貼近實裝體驗。


3裝備設計研制及驗收交付

本系統實現虛實融合解算及顯示的核心部分小巧便攜、應用靈活,可以很方便地與多種形式及規模的實裝及其部組件進行組合應用。在裝備設計、研制階段以及驗收等各階段,可為裝備的原型系統或核心部組件,提供能夠進行真實操作交互的虛擬驗證環境,可為裝備的性能與質量更貼合實戰需求、降低研制風險和驗證成本、加速形成真實應用數據,進而實現戰斗力的快速生成與轉變提供支持。


四、前景預測


隨著現代武器裝備科技含量和復雜性的日益提高,采用實裝訓練成本高、風險大,模擬訓練系統的需求十分迫切,而采用混合現實技術的模擬訓練系統以其高度的沉浸感、真實的操作體驗,代表了國內外的發展趨勢,應用潛力巨大。


本系統及其關鍵技術可用于軍民領域中高價值裝備的操作訓練,可廣泛應用于各室內外范圍的工程作業訓練,主要包括飛行器、車輛、船艇、軌道交通駕駛、操作和戰術訓練等,具有廣泛的應用價值及市場前景。


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